4～20mA回路有源振動傳感器的應(yīng)用

胡述明

（中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018）

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障很難用振動分析軟件來判斷。便攜式FFT分析儀進(jìn)行往復(fù)式壓縮機(jī)振動分析也很不理想，因為它不能確定曲軸的位置，而曲軸位置對分析往復(fù)式壓縮機(jī)振動非常重要。

由于工廠現(xiàn)有的主要分析工具（FFT分析儀）不適合往復(fù)式壓縮機(jī)的故障分析，所以往復(fù)式壓縮機(jī)的振動分析被振動分析師和技術(shù)專家所忽略；由于手段有限，問題不易確定，所以設(shè)備的整體運行狀態(tài)被忽略。結(jié)果，許多公司花費大量財力、物力進(jìn)行維修和部件更換，成本比監(jiān)測費用高很多。

一、4～20mA振動數(shù)據(jù)的應(yīng)用

用回路有源傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的振動監(jiān)測和分析儀器進(jìn)行振動監(jiān)測，費用很低。回路有源傳感器是一種振動傳感器，傳感器中配有信號處理器，它對設(shè)備的全部振動信號電位進(jìn)行有條件的選擇，最低信號電位設(shè)定為4mA，其目的是區(qū)分非操作狀態(tài)下（0mA）的低電位。最高電位定為20mA，這個電位幾乎可以含包含所有振動信號范圍。

使用4～20mA為振動數(shù)據(jù)的優(yōu)勢是，它不需要進(jìn)行復(fù)雜計算和分析。輸出信號代表了設(shè)備所有的振動，這些信號雖然不能完全包含確定設(shè)備特定故障的所有信息，但它能夠較好地顯示設(shè)備的總體運行狀態(tài)。輸出信號只需經(jīng)過培訓(xùn)的分析師即可解釋振動數(shù)據(jù)，有效診斷問題所在，其成本比故障停機(jī)時的維修或更換部件費用低很多。

但回路有源傳感器絕對不能直接代替動態(tài)振動分析，4～20mA電流回路是低帶寬系統(tǒng)，不具備傳輸確定特殊故障所需要的動態(tài)振動信號功能。

每個振動數(shù)據(jù)采集通道，包括傳感器、相關(guān)設(shè)備、輸入通道和安裝費用不超過5 000元人民幣?，F(xiàn)在普遍采用的方法是使用低成本網(wǎng)絡(luò)傳輸4～20mA振動信號，并監(jiān)測設(shè)備的總體狀態(tài)。

目前，現(xiàn)代化工廠普遍采用自動化控制系統(tǒng)（PLC或DCS）進(jìn)行工廠控制和管理，自動化控制系統(tǒng)能夠接收4～20mA輸入信號。4～20mA電流信號是工廠自動控制信號的標(biāo)準(zhǔn)，這就為連續(xù)監(jiān)測振動提供了方便。工廠現(xiàn)有的PLC或DCS都具有控制回路功能，可以實現(xiàn)趨勢顯示和數(shù)據(jù)的長期保存。所以，將4～20mA振動信號輸入到這些系統(tǒng)中，非常容易實現(xiàn)，唯一要做的是安裝振動探頭和模擬輸入通道。

二、十字頭振動監(jiān)測

往復(fù)式壓縮機(jī)十字頭是連接曲軸和活塞連桿的重要部件，十字頭上的軸套和連接銷子需要持續(xù)不斷地進(jìn)行潤滑，如果潤滑不充分，將會導(dǎo)致過度磨損，使軸套和銷子之間的間隙增大而松動，從而在軸套與銷子之間產(chǎn)生金屬間的碰擊與摩擦，加速磨損。

利用4～20mA振動監(jiān)測方法及時檢測出松動部件是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。圖1表示軸套與銷子之間的碰擊所發(fā)出的波形圖。在選擇傳感器時，必須選擇具有“真實峰值”監(jiān)測功能的4～20mA回路有源振動傳感器。

4～20mA輸出的真實峰值監(jiān)測信號與實際峰值為比例關(guān)系，利用峰值檢測方法，真實峰值探測會跟蹤隨時間變化的峰值強(qiáng)度，并按比例輸出4～20mA信號。

圖2是利用真實峰值檢測技術(shù)檢測到的碰擊信號的振幅和頻率變化曲線圖，圖中豎軸代表4～20mA回路電流。利用真實峰值檢測技術(shù)的原理是：當(dāng)沖擊發(fā)生時，檢測到的回路電流急速上升，然后慢慢回落，直到下一次沖擊所產(chǎn)生的電流大于下降電流時，重新上升，傳感器捕捉這些峰值并進(jìn)行記錄。位于圖2中間相對較直的曲線代表傳統(tǒng)回路有源傳感器檢測到的輸出信號，信號通過4～20mA傳感器或變送器輸出。傳統(tǒng)傳感器采用根平方差(r.m.s.)檢測技術(shù)，它無法完全檢測出所有的故障，因為碰擊并不影響輸出信號的總強(qiáng)度。如果往復(fù)式氣體壓縮機(jī)采用這種傳感器進(jìn)行監(jiān)測，很難對碰擊問題進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

此外，利用真實峰值檢測方法，還能檢測到短暫的碰擊。所以，它是往復(fù)式壓縮機(jī)最常用的振動監(jiān)測方法。

監(jiān)測十字頭軸套和銷子之間松動的方法是將傳感器安裝在十字頭區(qū)域，或者安裝在與殼體頂部相垂直的部件上（圖3）。

三、底座振動監(jiān)測

回路有源振動傳感器還可用來監(jiān)測壓縮機(jī)底座的振動，除了軸承磨損外，最常見的故障是底座失衡，大多數(shù)壓縮機(jī)驅(qū)動設(shè)備的轉(zhuǎn)速低于1800r/min，高于此轉(zhuǎn)速，失衡現(xiàn)象會頻繁發(fā)生。

監(jiān)測驅(qū)動裝置或壓縮機(jī)驅(qū)動軸失衡的方法是將傳感器安裝在水平軸的對面和曲軸箱反向端90?的地方。檢測失衡的最好方法是進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，因為在正常轉(zhuǎn)速下，加速度變化很小，所以通過檢測加速不是最為理想的方法。

回路有源速度傳感是根據(jù)失衡所產(chǎn)生的振動，來確定振動對設(shè)備的損害程度。ISO 10816建議，對于大馬力重型驅(qū)動系統(tǒng)，當(dāng)振動水平超過11.2mm/s時，振動會對設(shè)備產(chǎn)生損害。

四、冷卻系統(tǒng)振動監(jiān)測

許多往復(fù)式氣體壓縮機(jī)配置了級間冷卻系統(tǒng)，在多級壓縮機(jī)中，翅片式冷卻設(shè)備是關(guān)鍵部件，應(yīng)該進(jìn)行失衡監(jiān)測。壓縮機(jī)工作時，空氣強(qiáng)制通過翅片帶走所產(chǎn)生的熱量。風(fēng)扇速度取決于諸多因素，通常在300～1 800r/min之間變化。

安裝傳感器時，將探頭與風(fēng)扇軸垂直安裝，監(jiān)測速度是監(jiān)測失衡狀態(tài)最為理想的方法。大多數(shù)翅片式冷卻器和冷卻塔馬達(dá)的功率都很小，建議將傳感器的振動峰值速度極限設(shè)定在7.1r/min左右。